半潜平台快速压排载过程分析及设备选型应用
2022-10-10戴鹏程陈伶翔
戴鹏程，陈伶翔
(招商局重工(江苏)有限公司，江苏 南通 226100)
0 引言
海上作业平台一般配备吊机。为保证平台在吊运过程的稳性，需配备压载水调配系统。同样地，半潜式起重拆解平台作为以海上拆解废旧结构物为目的所设计的平台，根据船级社规范设计要求，压载水系统设计配备8台压载水泵，其中：4台排量为355 m/h的压载水泵安装于主浮筒，4台排量为245 m/h的压载水泵安装于辅浮筒。同时平台配备了2台21 560 kN的重型吊机。若仅采用压载泵配合吊运作业，那么单个吊运过程会持续很长时间。因此，为满足吊机的重吊作业要求，提高平台吊装性能，该半潜式拆解平台采用快速压排载系统作为吊机重吊作业过程的平衡系统。
快速压排载系统的压载过程是利用重力灌入的方式，即不利用任何动力设备，直接打开压载舱的通海阀，利用自然水压将海水灌入压载舱；排载过程则是利用大排量空压机将空气压缩以后输入压载舱，通过压缩空气的压力将舱内压载水排出舷外，实现快速排压载。系统的关键设备是空压机，因此空压机的选型设计在整个系统设计中起到重要作用。
本文对快速压排载过程中各个阶段进行分析，基于流体力学原理对各个阶段分别建模，利用迭代方法结合Excel宏进行编程计算，实现了快速压排载系统中关键部件空压机的选型。系统在试航中运行稳定，并获得了船东与船级社的认可，验证了该方法的可行性。
1 快速压排载系统设计原理
1.1 半潜式拆解平台概况
半潜式拆解平台总长137.75 m，船宽81.00 m，型深43.55 m，入级ABS船级社。整船的主要结构是由2个浮筒、4个立柱及上层建筑组成，可同时容纳750人居住生活；配备2台21 560 kN重型吊机并以快速压排载系统配合吊运作业，可在任何水深海域进行海上废旧平台拆解作业。
1.2 快速压排载系统基本工作原理
半潜式拆解平台快速压排载系统由4台大排量无油低压空压机、循环管路及管附件组成，系统原理见图1。
图1 快速压排载系统原理图
快速压排载系统工作原理为：在运行过程中空压机两用两备，实际是2台空压机同时开启，空压机产生大量压缩空气，并使其在循环管路内循环，通过空气管路与快速压载舱相连，4个立柱结构分别设置有4个立柱压载舱，每个压载舱接入有2根通气管。如此，利用压缩空气将舱内压载水通过通海阀及压排载管路排出舷外，达到快速压排载的目的。
2 快速压排载过程计算分析
2.1 流体力学基本原理
根据两断面间的实际流体总压的伯努利方程，即：
式中：、为两流体截面的高度；、为两流体截面的静压强；为流体密度；为重力加速度；、为动能修正系数，其值大小取决于断面上流速分布的不均匀程度，假定水流在管内流速分布均匀，则、=1；、为两截面流体的流速；为流体两截面间单位重量流体的平均机械能损失或水头损失，包括沿程水头损失和局部总水头损失，即：
=∑+∑
可将总水头损失表示为速度水头的若干倍，即：
式中：ζ为能量损失系数或阻力系数；v为流体平均流速。
2.2 快速压排载计算过程影响因素
海上重型吊机在吊运过程中对船体会产生一定的倾覆力矩，使平台发生倾斜，同时吊运作业须在规定时间内完成，排载过快过慢均会导致平台不稳，因此，吊运时间是系统空压机选型的一项重要指标。该平台规定单台吊机完全起吊21 560 kN重物须在15 min左右完成，可利用这一技术指标来迭代推算出合适排量的空压机。
该吊机起吊重量大，吊运过程中压载水连续驳运对平台稳性影响较大。因此，选择将配载过程分成若干个阶段，根据压载平稳性的要求，计算出每一阶段的舱内水位。根据舱内水位百分比可知，在0～21 560 kN吊运过程中各压载舱进行的压载或排载量，见表1。
表1 快速压载舱配载表
根据管路的设计型式及管附件的种类与数量，参考相关资料与莫笛图计算出系统的总水头损失，见表2与表3。根据计算，总水头损失取值为3.67 m。
表2 压载管路参数信息
表3 快速压载舱管路总损失表
主立柱舱通海阀直径为1.0 m，辅立柱舱通海阀直径为0.8 m，阀门直径较大，开启时间较慢。根据厂家提供的资料，阀门的开启时间、开度与流量有一定的关系，见表4。在计算过程中假定阀门匀速开启，为了计算简便，将每10°开度范围内的流量视为恒定。
表4 阀门开度与流量
压缩空气是由空压机进入循环管路，再由循环管路通过气体控制阀通向压载舱内，每个舱配有2个阀门。若舱内水位或压力低于外界水位时，阀门不能开启，否则会发生海水倒灌现象。因此，阀门开启的时间与舱内压力有一定的逻辑关系，计算过程中需要时刻计算舱内压强，并与外界水位势能作逻辑判断。
根据配载可知，同时进行排载作业的有2个压载舱，且在每个节点的排水量不同，因此，须在过程中进行阀门开启与关闭的控制。当某一压载舱内的阀门关闭，则另一压载舱的阀门通气量将会增加。假定当某一压载舱阀门关闭时，另一压载舱的进气量为之前的2倍，须在计算过程中增加逻辑判断。
空压机在开启时不能立刻提供大量的压缩空气，且气体到达并充满循环管路需要一定时间。与厂家沟通并讨论后，假定空压机排出气体且充满循环管路所需要的时间为12 s。
3 快速压排载空压机选型实现
3.1 快速压排载空压机技术调研
空压机排量作为已知参数参与计算，工况计算完成后与船东提出的技术指标进行对比，然后修正空压机排量，再次循环计算，循环迭代直至最优解。为减少工作繁琐程度，从正面出发，通过空压机技术调研从而缩小选型范围。
快速压排载空压机为螺杆式、大排量、低压、无油，目前空压机排量只有6 500、8 390 m/h这2个标准档符合此要求。
3.2 快速压排载空压机选型方法
综合实际流体总压的伯努利方程、压排载过程计算影响因素和逻辑判断，选型基本流程见图2。
图2 计算流程图
3.3 选型程序实现
通过Excel内置的Visual Basic编辑器，利用VB语言实现宏计算文件的编写。
本文以0～3 920 kN工况为例，其循环计算部分关键代码实现如下：
Do While
Worksheets(loadCase).Cells(x, "J") <= percentage
temp2=10000
temp1=-1
... / 定义Excel单元格数据
For I = 1 To 136
If Abs(tanklevelArray(I,1)*1.025- Worksheets
(loadCase).Cells(x + 1, "E")) < temp2
Then
temp2=Abs(tanklevelArray(I,1)*1.025- Worksheets
(loadCase).Cells(x + 1, "E"))
temp1 = I
End If
Next I
... / 设定阀门开启时间计算逻辑
a = kv / g
b = pi * pipeDia * pipeDia / (4 * kv)
c = outLevelDiff - tankLevel - 1.5 - Worksheets(loadCase)
.Cells(x, "I").Value
v = (Sqr(b * b - 4 * a * c) - b) / (2 * a)
... / 定义Excel单元格数据
maxTime = x
Worksheets(loadCase).Cells(28,"F").Value=maxTime - prix
Worksheets(loadCase).Cells(29,"F").Value= Worksheets
(loadCase).Cells(x, "I").Value * 0.1
x = x + 1
Loop
整个过程按照配载表分别计算，最终将各时间段叠加求出该工况下的总时间。根据规格书与船东的技术要求，吊机单臂起吊作业至0 ～18 130 kN工况时应在15 min左右完成，因此，根据空压机厂商所提供的空压机排量档位分别进行计算和对比，最终该半潜式拆解平台快速压排载系统空压机选用为8 390 m/h(流量)@0.26 MPa(压力)。过程计算时间见表5。
表5 6 500、8 390 m3/h空压机作业时间计算结果对比
4 结语
本文通过基于流体力学原理对快速压排载过程进行数学建模，并采用Excel宏编程的方法进行迭代运算，以实现在规定的时间内达到所要求的平台压排载舱内的水位，确保平台在运行中的平衡。基于该方法的选型结果得到船东的认可。通过该方法选型的快速压排载空压机现已完成安装与调试，试航中快速压排载系统运行稳定，能够在规定的时间内使压排载舱内达到指定水位，确保了平台运行平衡，该项目的快速压排载系统已通过船级社的认证。此外，与同类型船对比，空压机的选型结果相近，故可作为工程估算使用，满足工程设计要求。
